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材料与社会发展 考试资料1.什么是材料？简述材料分类以及各类材料的基本特性。答：材料的定义及其分类：(1).定义：材料是指能为人类经济性地，用于制造有用器件的物质。材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。(2).材料的分类：按组成、结构特点进行分为金属材料，无机非金属材料和有机高分子材料和复合材料。从其发展过程上，可分为传统材料和新型材料，它们是互相依存，互相促进，互相转化，互相替代的关系。传统材料的特征为：需求量大，生产规模大，但环境污染严重；而新型材料是建立在新思路、新概念、新工艺、新检测技术的基础上，以材料的优异性能、高品质、高稳定性参与竞争，属高薪技术的一部分；投资强度较高，更新换代快，风险性大，知识和技术密集程度高，一旦成功，回报率也较高，且不以规模取胜。从其使用性能分类：分为结构材料和功能材料。结构材料则主要利用材料力学性能；而功能材料主要利用材料物理和化学性能。按用途进行分类：分为航空航天材料、信息材料、电子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包装材料、电工电器材料、机械材料、农用材料、日用品及办公用品材料。(3)各自特点：高分子材料：是通过若干高分子链聚集以及高分子链与其他添加组分的相互作用而构成。分子量大，质轻；优良的加工性能，导热系数小，化学稳定性好，电绝缘性好；功能的可塑性好，出色的装饰性，但易老化；可以延压成膜、纺制成丝，可制成各种形状的构件，可产生巨大的粘接力及巨大弹性等。金属材料：有金属元素或以金属元素为主形成的，并具有一般金属特性的材料称为金属材料。一般具有金属光泽，具有良好的导电性，导热性，延展性及塑性；具有良好的强度和韧性，熔点较高。无机非金属材料：传统上主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等四大类，其主要化学组成均为硅酸盐类物质。具有高熔点，高强度，高硬度；耐腐蚀，耐磨损，抗氧化等，以及宽广的导电性，隔热性，透光性；良好的铁电性，铁磁性，压电性。复合材料：是由有机高分子、无机非金属或金属与几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型多相固体材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具有的性能。比重小，比模量和比强度大；具有优良的化学稳定性，自润滑；耐热，耐疲劳，耐蠕变，电绝缘性好等特点。”2. 请举例说明材料工程与材料科学之间的差别和联系？请给出材料科学研究的五要素图。答：材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系，集物理学、化学、冶金学等于一体的科学,是一门与工程技术密不可分的应用科学。中国的材料科学研究水平位居世界前列，有些领域甚至居于世界领先水平。材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。其工程硕士学位授权单位培养从事新型材料的研究和开发、材料的制备、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高级工程技术人才。要素：化学成分、制备加工、组织结构和性质性能。其中，组织结构是核心要素。同时，前面三者共同支撑“性质性能”。这四者的关系组成一个正四面体。3.材料在历史中发挥重要作用对你印象深刻之处，请举例说明答：材料的发展与人类进步和发展息息相关。一万年前，人类使用石头作为日常生活工具，人类进入旧时器时代，人类战争也进入了冷兵器时代。7000年前人类在烧制陶器的同时创造了炼铜技术，青铜制品泛地得到应用，同时又促进了人类社会发展，人类进入了青铜器时代。同时火药的发明又使人类战争进入了杀伤力更强的热兵器时代。5000年前人类开始使用铁，随着炼铁技术的发展，人类又发明了炼钢技术。十九世纪中期转炉、平炉炼钢的发展使得世界钢产量迅猛增加，大大促进了机械、铁路交通的发展。随着二十世纪中期合金钢的大量使用，人类又进入钢铁时代，钢铁在人类活动中起着举足轻重的作用。核材料的发现，又将人类引入了可以毁灭自己的核军备竞赛，同时核材料的和平利用，又给人类带来了光明。二十世纪中后期以来，高分子、陶瓷材料崛起以及复合材料的发展，又给人类带来了新的材料和技术革命，楼房可以越盖越高、飞机越飞越快，同时人类进入太空的梦想成为了现实。再比如电子组件的演进，从体积非常大的真空管、晶体管进步到集成电路，不仅为现代的科技另造高峰，同时也使得电器用品趋于小型化、轻巧化、功能强、易于携带等种种好处。所以说人类的生活确实是与材料科学有关。1982年日本首次研制出了陶瓷发动机小汽车，引起了世界性轰。因为它的出现将使发动机重量减轻，提高燃烧度和节约燃料的愿望成为现实。1988年前苏联一架以液氢为燃料的中型运输机首次试飞成功，象征人类在航空领域中启用了无污染的新能源-液氢。液氢的沸点为253，携储液氢需要高效率的绝热材料。液氢发动机的使用，则意味着低温极限技术已达到实用化程度。1989年3月，日本的一艘6500号潜水调查船下潜到6500米的深海区，打破了美国、前苏联和德国的下潜纪录。这艘潜水艇耐水舱用的正是一种高强度钛合金，观察窗使用的是一种新型的有机玻璃。有了深海探测技术，人们才可实现对人类资源开发有不可估量的意义深海资源的开发。美国在1989年12月入侵巴拿马，1991年1月人侵海湾以及此刻正在空袭南联盟的战争中，使用的F-ll7隐身战斗机世人皆知。这种武器之所以能隐身，就是使用了一种吸波材料和吸波涂层。4.与我们生活密切相关的交通或日常用品，哪些是以钢为主要承力材料的？钢铁在历史中作用显著，如何在未来发挥重要作用？答：建造北京奥运会主体育场“鸟巢”就是用了大的钢材。建材：卷门、轻型钢、防火门。运输：汽车内、外车身板件、排气管。家电：冰箱、洗衣机外壳、干衣机外壳。一般：标识牌、展示柜，冷冻商品陈列橱、用于桥梁建筑的钢材我国钢铁工业经过跨越式发展，已经具备了由大到强转变的良好基础，面对新的机遇和挑战，展望未来，我国钢铁工业有理由、有信心紧跟时代发展需要，加快转型升级，在已有基础上不断创新发展，发挥更大作用、做出新的贡献。一是继续满足传统行业用户需要，为经济发展提供支撑。在相当长时期内，建筑、机械等大规模消费钢材的下游行业仍将在我国工业化、城镇化进程中扮演重要角色，而这些行业的发展和转型离不开钢材的支撑，随着下游行业转型升级，钢铁生产可谓天地广阔、大有可为，如工信部和住建部联合在建筑业推进高强钢筋应用，就是钢铁支撑下游行业转型升级重要作用的体现。二是满足战略性新兴产业发展需要。战略性新兴产业是引导未来经济社会发展的重要力量，我国提出发展节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车七大战略性新兴产业，钢铁工业将承担时代发展赋予的新使命，为培育发展战略性新兴产业提供优质钢铁新材料。三是在推进节能减排和循环经济等方面发挥攻坚作用。钢铁工业是典型的流程工业，产业链长、关联度高、物耗能耗大、物流运输量大，节能减排潜力大，发展循环经济优势突出，钢铁工业将在我国推进节能减排和循环经济中发挥攻坚作用。四是在技术创新方面发挥引领作用。国家提出“十二五”时期要加快建立以企业为主体的技术创新体系，增强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新能力。近年，我国钢铁工业技术创新体系建设蓬勃发展，企业科研机构不断建立完善，技术创新能力得到增强、成果丰硕。在国家认定企业技术中心2011年度评价前十名中，钢铁行业占有四位，在科技经费支出前十名中，钢铁行业据有三个，在拥有专利数前三十名中，钢铁行业占据五席，可以说钢铁工业技术创新在工业行业中走在了前列。在未来发展中，钢铁行业要发挥既有优势，抓住机遇，在技术创新方面发挥引领作用，将来我们不但能输出优质产品和服务，也将能输出一流的技术和装备。五是在培育发展具备较强国际竞争力的大型企业集团方面发挥积极作用。我国钢铁工业规模大，粗钢产量占世界的45%。近年，通过兼并重组，我国钢铁企业规模逐步扩大，2011年世界粗钢产量前五名中我国企业占据了四席。宝钢、河北钢铁、首钢、武钢、沙钢、鞍钢、新兴际华等一批钢铁生产企业进入了世界500强，具备了较强的国际竞争力。企业是市场竞争的主体，随着我国钢铁工业推进兼并重组、优化升级和国际化发展，将会有越来越多的中国钢铁企业登上世界舞台，中国领军钢铁企业也将在全球范围内具备更强的竞争力，为提升我国企业在世界的影响力和竞争力发挥积极作用。5.如何评定材料的硬和软？控制钢的硬或软的主要因素是什么？答：硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA，HRB，HRC)、维氏硬度(HV)，其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而里氏硬度（HL）、肖氏硬(HS)则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。碳含量高低 合金元素含量种类及数量.都与钢材的软硬因素有关系.6.我国民间“打铁”过程一般有几步？生铁、熟铁和钢有什么区别，如何从生铁得到钢？如何从熟铁得到钢？答：加热，锻打，淬火。熟铁、钢和生铁都是铁碳合金，以碳的含量多少来区别。一般含碳量小于0.2%的叫熟铁或纯铁，含量在0.2-1.7%的叫钢，含量在1.7%以上的叫生铁。熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低，用途不广；生铁含碳很多，硬而脆，几乎没有塑性；钢具有生铁和熟铁两种优点，为人类广泛利用。生铁到钢：钢是由生铁冶炼而成。将生铁在炼钢炉中进一步熔炼，并供给足够的氧气，通过炉内的高温氧化作用，部分碳被氧化成一氧化碳气体而逸出，其他杂质则形成氧化物进入炉渣中除去，这样可使碳的含量降低，从而得到含碳量合乎要求的产品，即为钢，此过程称为炼钢。所以将含碳量在2%以下，含有害杂质较少的铁碳合金称为钢。熟铁到钢：7.古代制造青铜器的主要步骤有哪几步？何为青铜器时代和铁器时代，是如何定义的？中国古代青铜器的铸造有块范法和失蜡法两种基本的方法，此外还有分铸法、焊接法等工艺。块范法或称土范法，是商周先民最先采用的，是整个青铜时代中应用最广泛的青铜器铸造法。其法步骤如下：制模、制范、浇注、修整。青铜时代（或称青铜器时代或青铜文明）在考古学上是以使用青铜器为标志的人类文化发展的一个阶段。青铜时代必须具备这样一个特点：青铜器在人们的生产、生活中占据重要地位，偶然地制造和使用青铜器的时代不能认定为青铜时代。青铜时代是 以使用青铜器为标志的人类物质文化发展阶段，自有了青铜器和随之的增加，农业和手工业的生产力水平提高，物质生活条件也渐渐丰富。青铜出现后，对提高社会生产力起了划时代的作用。铁器时代是人类发展史中一个极为重要的时代。人们最早知道的铁是陨石中的铁，古代埃及人称之为神物。在很久以前，人们就曾用这种天然铁制作过刀刃和饰物，这是人类使用铁的最早情况。地球上的天然铁是少见的，所以铁的冶炼和铁器的制造经历了一个很长的时期。当人们在冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术之后，铁器时代就到来了。他们是根据在人们的生产生活中使用的占据主体地位的材料来定义的。8.铝合金可以分为哪两大类？什么样的热处理工艺可以提高铝合金的强度？一为铸造铝合金，有铝硅系、铝铜系、铝镁系、铝锌系合金。 二为变形铝合金，其中又分为两类： 热处理不强化型铝合金，有铝锰系、铝镁系合金； 热处理强化型铝合金，有铝镁硅系、铝铜镁系、铝铜镁锌系等。为了进一步提高铝合金的强度，通常在零件成形后进行热处理。由于铝没有同素异构转变，故铝合金的热处理强化方法与钢不同，铝合金的热处理一般采用固溶时效处理，通过固溶处理，使合金元素和第二相固溶于基体，并在随后的时效处理中均匀析出细小的强化相，达到强化的效果。将铝及铝合金材料加热到一定的温度并保温一定时间以获得预期的产品组织和性能。(1) 退火：产品加热到一定温度并保温到一定时间后以一定的冷却速度冷却到室温。通过原子扩散、迁移，使之组织更加均匀、稳定、，内应力消除，可大大提高材料的塑性，但强度会降低。（2）固溶淬火处理：将可热处理强化的铝合金材料加热到较高的温度并保持一定的时间，使材料中的第二相或其它可溶成分充分溶解到铝基体中，形成过饱和固溶体，然后以快冷的方法将这种过饱和固溶体保持到室温，它是一种不稳定的状态，因处于高能位状态，溶质原子随时有析出的可能。但此时材料塑性较高，可进行冷加工或矫直工序(3)时效：经固溶淬火后的材料，在室温或较高温度下保持一段时间，不稳定的过饱和固溶体会进行分解，第二相粒子会从过饱和固溶体中析出（或沉淀），分布在（AL）铝晶粒周边，从而产生强化作用称之为析出（沉淀）强化。同时提高铝合金强度、抗疲劳性能的热处理方法，是将经过460-495/1-2小时固溶处理的铝锌镁铜合金加热至70-120，保温24-96小时；然后，在150-170，保温2-120分钟并冷却至室温后，再在70-120下保温24-96小时后出炉空冷。所述铝锌镁铜合金包括下述组分：Zn,Mg,Cu，Mn,Zr,Al。本发明工艺方法简单合理，通过三级时效热处理工艺，使铝锌镁铜合金晶界处于过时效状态，晶内组织主要由相和G.P.区组成。晶界的过时效组织具有优异的抗腐蚀性能，而晶内的G.P.区粒子有利于位错在交变应力作用下的往复滑移和裂纹闭合，提高抗疲劳性能，使合金具有优良的抗应力腐蚀性能和抗剥落腐蚀性能，适应于工业化应用。9.目前大多汽车轮毂采用的材料是什么？钢质轮毂最主要的优点就是制造工艺简单（一般采用铸造的工艺，例如铝合金轮毂一般采用低压铸造工艺生产）成本相对较低，而且抗金属疲劳的能力很强，也就是我们俗称的便宜又结实。但钢质轮毂的缺点也相对比较突出就是外观丑陋（可以说没什么外观可言），重量较大（相同的轮毂钢材质要比铝合金材质重很多），惯性阻力大，散热性也比较差，而且非常容易生锈。合金材质轮毂正好可以弥补这样的问题，较轻的重量，惯性阻力小，制作精度高，在高速转动时的变形小，惯性阻力小，有利于提高汽车的直线行驶性能，减轻轮胎滚动阻力，从而减少了油耗。合金材质的导热性能又是钢的三倍左右，散热性好，对于车辆的制动系，轮胎和制动系统的热衰减都能起到一定的作用。市场上的原厂车的合金轮毂都以铝合金为主，当然很多改装轮毂为了达到一定的特殊要求以及视觉的提升会选择铬、钛等元素作为基本材料。不过，跟钢材质轮毂比起来，合金轮毂的价格要贵出不少，所以往往在很多中低端级别的原厂车中，钢质轮毂会出现在低配车型上，而合金轮毂则是高配车型的标配10. 为什么要推进汽车轻量化，如何实现，材料如何选择汽车轻量化实际上是汽车性能提高、重量降低、结构优化、价格合理四方面相结合的一个系统工程。碳纤维代表着当今最先进的汽车技术。汽车轻量化是在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力利用率，减少燃料消耗，降低排气污染。汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。权威研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.30.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。而在驾驶方面，汽车轻量化后其加速性能也将得到提高，而在碰撞时由于惯性小，制动距离也将减少。此外，车辆每减轻100公斤，二氧化碳排放可减少约5克/公里。可见汽车轻量化的节能环保效益觉不亚于汽车发动机技术节油技术。碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂等材料通过一定比例混合，经过一系列固化处理得到的具有优异性能的新型材料。这种材料应用在汽车领域具有传统金属材料无法比拟的优点。1、强度高，碳纤维复合材料的机械性能优于金属材料。其抗拉强度时普通钢材的4-5倍，刚度是普通钢材的3-4倍。人们越来越注重汽车的安全性，汽车爱好者已讨论多年，表面上是争个谁对谁错，但实质上反映的事人们对于汽车安全性的看重。这样一种高强度的材料应用到车身上，汽车的安全性会大大增加。2、质量轻，碳纤维复合材料在有着优良机械性能的同时，又有着超轻的质量。人们传统意识中的“越结实就肯定越重”的观念被彻底颠覆。在比普通钢材强度高上数倍的同时，它的质量仅为钢材的数分之一。在越来越注重环境保护，越来越注重汽车燃油经济性的今天，轻车身已经成为汽车发展的趋势，碳纤维复合材料还有耐腐蚀，易于造型等优点，上述这些优点让碳纤维复合材料成为车身制造的绝佳材料。碳纤维复合材料应用到汽车上的大优势：1.轻量化.安全性3.抗疲劳性.减震能力强.抗老化剂.可设计性强.高温性能强11.高分子材料是近代科学技术发展形成的新专业，在中国仅仅只有30年左右的历史，它是材料这个传统的大学科中一片新领域，它主要包括七个方面，请列举。答：塑料，橡胶，合成纤维，涂料，胶黏剂，高分子树脂复合材料，功能高分子材料12.请列举一件高分子材料在军工上应用实例。答：树脂基复合材料具有优异的综合性能，制备工艺容易实现，原料丰富。在航空工业中，树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道；在航天领域，树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料，而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体，也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强，微波介电性能佳，尺寸稳定性好等优点，广泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。环氧树脂属上海树脂所的AG80了，应用很广。648，氰酸酯等也比较多聚酰亚胺纤维的主要应用领域为环保行业的工业高温除尘过滤材料、航空航天行业的轻质电缆护套及耐高温特种编织电缆、其他领域的过滤、隔火毡、防火阻燃服装及先进复合材料的增强剂等。13.论述光电高分子的应用前景。光电高分子材料是指在光的作用下能够产生物理(如光导电、光致变色)或化学变化(如光交联、光分解)的高分子材料，或者在物理或化学作用下表现出光特性(化学荧光)的高分子材料。常见的光功能高分子材料主要有：光导电高分子材料、光致变色高分子材料、高分子光致刻蚀剂、高分子荧光和磷光材料、高分子光稳定剂、高分子光能转化材料和高分子非线性光学材料等。光功能高分子材料在电子工业和太阳能利用等方面具有广泛应用前景。光电高分子材料在太阳能转换中的应用是当前国际上的研究热点，据介绍，伴随信息光电子产业发展的巨大需求，有机光电功能材料与器件的研发得到了前所未有的快速发展，特别是有机发光二极管（oled）已经发展到了产业化的攻关阶段，所涉及的元件效率和寿命以及集成技术，已成为国际信息光电子领域的重大研究方向和竞相研发的焦点。但是，由于相关基础研究滞后于技术的发展，对高功能材料和器件的设计与优化缺乏紧密结合的理论指导，在实际研发的过程中不得不采取广泛探索和优化的方式来进行，很大程度上阻碍了其创新跨越。为此，不断强化有机/高分子光电材料基础理论的探索和创新，为其可持续发展提供基础理论支撑和前瞻性的引领，是发展信息光电子产业亟须解决的重大课题。迄今为止，光致变色高分子的应用开发工作尚处在起步阶段，但其应用前景是十分诱人的。例如,可作为窗玻璃或窗帘的涂层，从而调节室内光线：可作为护目镜从而防止阳光、激光以及电捍闪光等的伤害：在军事上-可作为伪装隐蔽色或密写信息材料；还可作为高密度信息存储的可逆存储介质等等不一而足。我国已把光致变色材料列入863高科技计划，国内一些单位已相继开展这方面的工作并已取得可喜的成果。14.智能材料的三要素是什么？人工合成自愈合材料的作用机制可以是哪些？答：A.智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素B.智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料. C. 智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。D.自愈合聚合物材料本身就具有恢复材料的载荷传递能力，这种恢复可以是自主地发生，也可以是被一个具体的 刺 激 物 所 激 发 的，1.分子互扩散导致的自愈合2. 由光引发的自愈合3.通过形成可逆键的自愈合4.活性聚合导致的自愈合5纳米粒子自愈合.6. 金属基自愈复合材料7. 混合磨损自愈材料15.什么是生物医用材料？什么材料可作为生物医用材料？什么是组织工程技术？答：A.生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。B.现在各种合成材料和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。C. 定义：应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。D.组织工程研究主要包括四个方面：种子细胞、生物材料、构建组织和器官的方法和技术以以及组织工程的临床应用。目前临床上常用的组织修复途径大致有3种：即自体组织移植、异体组织移植或应用人工代用品。16.举例论述功能晶体材料在社会发展中起什么作用。答：1.光学晶体：主要用于光学仪器的透过窗口、棱镜、透镜、滤光和偏元件及相位补偿镜等2. 非线性光学晶体：其重要应用之一是激光频率转换晶体，用于红宝石激光器、可调谐激光器、半导体激光器。3. 如用于导弹红外制导头的多元红外探测器器件材料碲镉汞、红外探测蓝宝石窗口，精确制导的激光晶体材料红宝石和铷钇铝石榴石、红外接收系统中的关键材料碲镉汞、电子吊舱中的砷化镓材料和空一空导弹整流罩材料多晶硫化锌等。17.举例论述不同功能晶体材料的功能之间的相互关系和相互转化。在21世纪，电子、光子材料仍是全球信息产业的基础材料，人工晶体在其中依然起着中心作用。尽管人工晶体领域不断扩展，单晶仍是人工晶体的基础。智能化是人工晶体的发展方向，要在学科交叉中发展智能晶体。大多数无机材料为晶态材料，其质点的排列具有周期性和规则性。不同的晶体，其质点间的结合力有本质不同，质点在三维空间的排列方式不同，使得警惕的围观结构各有差异，反映在宏观性质上，不同晶体具有截然不同的性质。化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下生成不同的晶体结构的现象，称为同质多晶现象。当外界条件改变时，各部分直接就要发生结构转变。如温度、压力的改变。如温度、各种晶体是功能材料的重要组成成分，功能晶体经历了从天然晶体到人工晶体，从体快晶体到薄膜，从自组装到人工微结构，从大晶体到微米晶体以及从单一材料的生长到具有器件结构多种材料一体化制备的发展李程。人工晶体的领域已经大大拓宽，晶体的概念早已不再是停留在有棱有角的规则多面体上，但晶体最本质的东西周期性构造仍保持着。现在人工晶体的功能以大大扩展，与器件的结合也越来越紧密并逐步走向智能化阶段。纳米材料的发展将加速这一进城。纳米技术是一种从原子着手从小到大合成和组件纳米材料并用纳米材料来实现具有特定功能和智能作用的高技术，他的实现讲使人类进入智能化的类生物体系生产时代。因此在21实际运用纳米技术和生物技术自上而下的组装只能警惕，甚至是有生命的晶体应该也不是天方夜谭。18.举例五种以上太阳电池的名称。阐述太阳电池的工作原理。答：A.太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶体太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。B. 太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏打效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。如温度、压力的改变。19.什么是信息、信息技术及信息材料？信息材料有哪些类型？答：A.信息，指音讯、消息、通讯系统传输和处理的对象，泛指人类社会传播的一切内容B. 它主要是指利用电子计算机和现代通信手段实现获取信息、传递信息、存储信息、处理信息、显示信息、分配信息等的相关技术。C. 信息材料属于功能材料，是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功能使用的材料 D. 信息材料主要有以下几类。1.信息探测材料，对电、磁、 光、声、热辐射、压力变化或化学物质敏感的材料属于此类，可用来制成传感器，用于各种探测系统，如电磁敏 感材料、光敏材料、压电材料等。这些材料有陶瓷、半导体和有机高分子化合物等多种。2.信息传输材料，主要是光导纤维，简称光纤。它重量轻、占空间小、抗电磁干扰、通信保密性强，可以制成光缆以取代电缆，是一种 很有发展前途的信息传输材料。3信息存储材料，包括：磁存储材料，主要是金属磁粉和钡铁氧体磁粉，用于计算机存 ；光存储材料，有磁光记录材料、相变光盘材料等，用于外存；铁电介质存储材料，用于动态随机存取存储器；半 导体动态存储材料，目前以硅为主，用于内存。4.信息处理材料，是制造信息处理器件如晶体管和集成电路的材料 。目前使用最多的是硅。砷化镓也是一种重要的信息处理材料。20.结合具体事例，说明材料对信息技术、能源技术发展的推动作用。答：A.1906年佛莱斯特发明了电子管，才有了无线电广播、电子计算机的出现，但只是到了1948年贝尔实验室的巴丁，肖克利，布拉顿发明了半导体晶体管以后，才逐步地实现了电子设备的小型化、轻量化、节能化，以及成本的降低、可靠性的提高与寿命的延长。1958年集成电路的发明，使计算机及各种电子设备发生了一次飞跃，计算机从以晶体管为元件的第二代发展到以中小型集成电路为逻辑元件的第三代。以后集成电路的发展十分迅速，器件尺寸和集成度几十年来几乎以数量级的速度在变化。进入90年代，集成度进一步提高，加工技术达到0.3微米，研究水平已达到0.1微米，每位存储器的价格就更低了。这些变化的实现主要依赖半导体材料光电子技术，与之直接相关的材料便是光电子材料。砷化镓由于比硅具有更优异的性能和受激发光的特点，对发展高密度、高速度芯片很有利。近年来发现的多孔硅、纳米碳化硅等发光半导体材料，目前都在探索之中，一旦有所突破将引起计算机的一场革命。B. 1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。Charles用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。到了20世纪50年代，随着半导体物性的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。自20世纪60年代起，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。20世纪70年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。21.光盘存储的原理是什么？一次性写入光盘和可擦重写光盘所用的记录介质层材料有哪些？无论是CD光盘、DVD光盘等光存储介质，采用的存储方式都与软盘、硬盘相同，是以二进制数据的形式来存储信息。而要在这些光盘上面储存数据，需要借助激光把电脑转换后的二进制数据用数据模式刻在扁平、具有反射能力的盘片上。而为了识别数据，光盘上定义激光刻出的小坑就代表二进制的“1”，而空白处则代表二进制的“0”。DVD盘的记录凹坑比CD-ROM更小，且螺旋储存凹坑之间的距离也更小。DVD存放数据信息的坑点非常小，而且非常紧密，最小凹坑长度仅为0.4m，每个坑点间的距离只是CD-ROM的50%，并且轨距只有0.74m。CD光驱、DVD光驱等一系列光存储设备，主要的部分就是激光发生器和光监测器。光驱上的激光发生器实际上就是一个激光二极管，可以产生对应波长的激光光束，然后经过一系列的处理后射到光盘上，然后经由光监测器捕捉反射回来的信号从而识别实际的数据。如果光盘不反射激光则代表那里有一个小坑，那么电脑就知道它代表一个“1”；如果激光被反射回来，电脑就知道这个点是一个“0”。然后电脑就可以将这些二进制代码转换成为原来的程序。当光盘在光驱中做高速转动，激光头在电机的控制下前后移动，数据就这样源源不断的读取出来了。DVD-RAM光盘是否稳定可靠，记录介质是关键，而材料设计能否满足高速存储的要求，又取决于记录介质能否在两个稳定态之间实现快速可逆相变。国内外传统相变介质材料设计都是基于激光的热效应，信息写入用液相快淬实现；信息的擦除用晶核形成、晶粒长大来完成。由于热效应是能量积累过程，写入一个比特需较长时间，约几十纳秒，而且介质在经历几十万次的写/擦循环后会出现信噪比下降的热疲劳。随着记录激光采用短波长，激光的热效应逐渐减弱，而激光光子的激发作用变得突出；所以新的材料设计基于激光的光效应。对半导体类型介质来讲，写入一个比特只要几十皮秒，使记录速率获得数量级的提高。这种基于非线性光学双稳态变化效应的记录介质称为光双稳态记录介质，它可以是无机材料，也可以是有机材料或无机-有机复合材料。补充内容：1.简述铸造模拟所涉及的主要内容。试举一例计算机模拟在材料科学研究或生产实践中的应用情况。答：A.材料科学中的计算机模拟, 按其模拟尺度, 可分为三类模拟方法: 1. 原子尺度的模拟计算, 包括分子动力学和蒙特卡洛法等1 。分子动力学和蒙特卡洛法可根据粒子间的作用势, 计算多粒子系结构、多种物系结构和多种性质。2. 显微尺度模拟计算: 这类计算以连续介质概念为基础。在基础梯度材料过程中利用计算机模拟方法计算材料的热应力分布, 为寻找合理材料结构提供依据。此外, 用热力学方法预测材料相变及相变产物的显微结构, 也属此方法的研究范畴。3.宏观尺寸的模拟计算: 一般与材料或材料部件的工业生产有关。例如: 非晶态合金经急冷而成。采用计算机模拟计算液体合金快冷时的传热传质过程, 有助于设计合理的设备和工艺, 以保证产品质量。清华大学航天航空学院刘小明等用分子动力学模拟研究金刚石压头在Ni 晶体薄膜上的摩擦过程和薄膜塑性变形行为的纳观机制.B.铸造模拟 铸造模拟与可视化铸造概念不同。铸造可视化是采用X射线对实际铸件的凝固过程进行实际观察。而铸造模拟是在铸件实际铸造之前进行铸造的充型、热传导和凝固过程的模拟分析。根据凝固模拟结果制定铸造工艺可大幅度降低铸件废品的发生。多相流的模拟是模拟铸造的充型过程的确基础，多相流的模拟包括卷气、氧化夹杂、砂型冲蚀、压铸过程的排气等的计算分析。模拟铸造考虑了紊流、表面张力、自由表面、相变、热交换等众多影响因素的复杂流动，其模拟结果更接近真实的铸造过程。 模拟铸造应用于各种铸造方法，应用范围在不断扩大。如果将其与可视化铸造结合起来进行铸造工艺研究，其效果就会更好。2.什么是催化剂？催化剂的基本特性是什么？在多相催化反应过程中，从反应物到产物一般经历哪些步骤？答：A.在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。B.催化剂的基本特征：催化剂只能实现热力学可行的反应，不能实现热力学不可能的反应；催化剂只能改变化学反应的速度，不能改变化学平衡的位置；催化剂能降低反应的活化能，改变反应的历程；催化剂对反应具有选择性。窗体顶端反应物分子从反应器内流体体相向固体催化剂外表面扩散，称为外扩散反应物分子从催化剂外表面沿着微孔方向朝催化剂内表面扩散，称为内扩散反应物分子在催化剂表面发生化学吸附表面反应吸附态产物从催化剂表面脱附吸附态产物从催化剂内表面扩散到外表面吸附态产物从催化剂外表面扩散到反应流体体相中.3.试举例说明传统金属微滴制备技术及其特点。论述金属微滴的3d打印技术极其发展。微滴沉淀制造技术是一中新型的金属微小型件快速成型技术。他的原理是，微米级金属熔滴根据制造过程的要求，经过选择性充电偏转后在基板上逐渐堆积成微型件。如进行直径15-800um的合金锡、铝、铜等均匀粉末的制备。特点：1.材料堆积与零件成型同步实现2.成型材料广泛3.设备成本低，体积小。均匀金属微滴喷射技术是基于喷墨打印的原理，于20世纪90年代初提出并发展起来的一种3D打印技术。它是以均匀为敌为基本成型单元，依据零件形状特征逐点、逐层“堆积”而是显得三位机构的快速打印技术，具有喷射材料范围广、无拘束自由成型和无需昂贵专用设备等有点，在微笑复杂的金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化制造等领域具有广泛应用前景。基于均匀微滴喷射的3D打印技术是一中极具发展潜力的增材制造技术。目前，该技术已应用于金属材料直接成型、为电子封装和焊接设备等领域，在非均质材料及其制件制备、结构功能一体化制造以及航空、航天等高技术领域也具有重要的应用前景。4.什么叫粉末冶金？粉末冶金有什么特点？粉末烧结钢有什么特点？粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金包括制粉和制品。其中制粉主要是冶金过程，和字面吻合。而粉末冶金制品则常远远超出材料和冶金的范畴，往往是跨多学科（材料和冶金，机械和力学等）的技术。尤其现代金属粉末3D打印1-2 ，集机械工程、CAD、逆